JPH10174835A - 流体分離装置及び流体分離方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 実質的に平行な中空繊維のバンドルを収容し
た分離装置であって、繊維のバンドルの中央へ向かう流
体の半径方向の流れを向上させた、特にガスの分離に適
した分離装置を提供する。 【解決手段】 半径方向に繊維バンドルの中央部へ向か
う流体の流動のための流路を作りだすように、分離装置
１０の口１４、１８又はチューブシート２０の近くでバ
ンドル内に繊維２６に対して垂直に少なくとも一つのス
ペーサー２８、３０を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体分離装置と流
体分離方法とに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】中空繊
維膜のバンドル（束）が入った分離器（セパレーター）
モジュールは、膜のシェル（外殻）側と内腔（ボア）側
のおのおので流体の均一な速度分布（又は「プラグフロ
ー」）を呈する理想的な向流の下で、最も可能な限りの
性能をもたらす。繊維の内腔の寸法と長さが均一の場合
に、内腔側の流れはプラグフローに近づくと予測され
る。しかし、シェル側には、通常、不均一な軸線方向速
度分布、すなわちプラグフローからの逸脱が存在する。

【０００３】シェル側でのプラグフローからの逸脱は、
多数の要因のうちの一つにより、例えばバンドルを形成
するための方法の結果として生じることがあるバンドル
内の中空繊維の不均一な間隔、あるいは繊維の外径の変
動、あるいは繊維のよじれ（キンク）又はうねり（ｗａ
ｖｅ）、あるいは繊維の平行にならない配向、あるいは
巻かれたバンドル内の繊維の滑り等、により引き起こさ
れる。

【０００４】縦の中空繊維バンドルにおいては、半径方
向の流体流抵抗（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｒｅｓｉｓｔａ
ｎｃｅ）は軸線方向の流体流抵抗よりも通常はるかに大
きい。シェル側の流体は、通常、バンドルの外側又は中
央でバンドルに出入りする。半径方向のより大きな流体
流抵抗は、シェル側の流体が中空繊維バンドルの断面全
体にわたり均一に分布するのを妨げ、従ってプラグフロ
ーからの逸脱を生じさせる。

【０００５】ガス分離プロセスにおけるモジュールの性
能についての上述の現象の最終結果は、不透過物流の流
量又は高速（ｆａｓｔ）ガス含有量が低下するにつれて
高速ガスについての有効透過係数が低下することとガス
分離についての有効選択率が低下することである。この
ことから、膜の単位面積当たりの製品（不透過物）流量
が低下し、所定製品純度での製品回収率が低下する。こ
れらの有害な影響は、内腔側に原料供給するガス分離で
もシェル側に原料供給するガス分離でも認められる。こ
れらの影響のいくつかの例を下記に示す。

【０００６】圧縮空気から高純度窒素を生産する際に、
より高い純度の窒素製品を得るため原料の速度を低下さ
せるにつれて有効酸素透過係数は低下する。これは、規
定された純度で可能な窒素流量を低下させもし、また窒
素回収量も減少させる。このことは、水素とその他の
種、例えばメタン、エタン、二酸化炭素等とを含有して
いる流れから高純度の水素を生産する際にも当てはま
る。圧縮空気の乾燥においては、露点がより低い製品を
得るため原料供給速度を低下させるにつれて水の有効透
過係数が低下する。これは、規定された露点での製品流
量を低下させるし、また透過物の損失分を増加させる。
同じ結果が、高圧の天然ガスの乾燥において起こり、こ
のことからメタンの損失が増加する。

【０００７】これらのガス分離法は、内腔側を原料供給
側として運転することもありシェル側を原料供給側とし
て運転することもある。上記の有害な影響は、不透過物
の急速ガス含有量が透過側のスイープガスの流量を増加
させることにより減少する場合にやはり起きる。スイー
プガスは外部からの流れでよく、あるいはそれは不透過
物又は原料流のうちの一部でよい。

【０００８】シェル側ガス流は典型的に、分離器内の繊
維長さが増加するにつれ均一なプラグフローに近づく。
ところが、原料流も透過物流も、分離器の長さが増加す
るにつれ圧力損失が増加する。これは性能に不利な影響
を及ぼす。更に、分離器の長さを増加させると、分離器
の値段も上昇しかねず、分離器モジュールの組み立ても
ますます複雑になりかねない。

【０００９】状況によっては、所定のガス流を処理する
のに分離器モジュールを並列につなぐのが好ましいこと
がある。これは、圧力損失を減らし、全透過物により膜
表面全体を向流式にスイープするのを可能にし、そして
これは最大の可能な限りの性能をもたらすことができ
る。しかし、この並列の構成は原料の速度を低下させ、
その結果生じたシェル側のプラグフローからの逸脱が受
け入れがたい性能の原因となることがある。一般に、並
列の構成が受け入れがたい性能の原因となる場合には、
分離器モジュールの列を直列につなぐことができる。し
かし、直列の構成には、例えば原料流と透過物流の両方
の圧力損失が増大するといったように、特定の問題があ
る。更に、それは透過物流を直列に接続するため追加の
出入口と「配管設備」を必要とし、その一方、透過物流
を直列に接続しない場合には潜在的な性能の上昇が失わ
れる。

【００１０】上述の膜によるガス分離法の性能を向上さ
せるためには、分離器モジュールは、特にシェル側で流
量分布を向上させることが必要とされる。

【００１１】通常、シェル側境界層の物質移動係数は繊
維の固有の透過係数よりはるかに大きく、それゆえ有効
透過係数にほとんど影響を及ぼさない。ところが、中空
繊維内の高速ガスの固有透過係数が外側の物質移動係数
に匹敵しあるいはそれより大きい場合には、有効透過係
数は外側物質移動係数の値により制限され、それゆえ外
側の物質移動係数を増大させると性能が向上する。この
状況は、高ガス透過性の物質を中空繊維の製作に利用で
きる場合に生じることがある。

【００１２】前述の検討はガスの分離に限られてはいる
が、中空繊維膜のバンドルが入った分離器モジュール
は、気液接触、浸透気化（ｐｅｒｖａｐｏｒａｔｉｏ
ｎ）、逆浸透、透析、限外ろ過及び精密ろ過を含めた操
作でも使用することができ、これらのおのおのでは外側
の物質移動係数が性能上重要な役割を演じる。こうし
て、外側の物質移動係数の向上は性能を向上させ、そし
て恐らくより小さなモジュールの使用を可能にして、装
置と運転の総合経費を低下させることになる。

【００１３】流体は、繊維のシェル側へ供給し及び／又
はそこから取り出すことが必要である。典型的に、供給
原料はチューブシートのうちの一つのものの近くの中空
繊維バンドルの外側へ供給される。製品、すなわち不透
過物は、繊維バンドルの外側を離れてシェル容器のノズ
ル又は他の部分へ導かれる。設計によっては、繊維バン
ドルの外側へ流体を供給しあるいはそこから取り出すた
めの環状の流路を形成するようにキャニスター又はチャ
ンネルを設けることもある。流体は、バンドルの外側と
内側との間を一般に半径方向に流れなくてはならない。
その結果、バンドルの長さ方向に沿って進む流体のため
の流動路は長さがいろいろになる。例えば、流体がバン
ドルの外側に出入りする場合には、繊維バンドルの外側
領域に対して内部において流動路がより長くなり、すな
わち外側にそってのＬに対して中央部においてはＬ＋２
Ｒとなり、ここでＬは繊維バンドルの長さ、Ｒは半径で
ある。

【００１４】流体の流動速度は流動路の長さと適用され
る圧力差とに依存するので、内側に沿っての流動路がよ
り長くなると局部的な速度をより小さくさせることが予
期されることを容易に示すことができる。移送プロセス
は単位移送面積当たりの相対流量に依存することから、
バンドルの内側の繊維は外側のそれらと異なるように働
くことが予想されよう。こうして、中空繊維の性能が半
径方向において不均一になることになる。

【００１５】この現象は、半径方向対軸線方向の流動抵
抗の差によって更に悪化される。一般に、半径方向の、
すなわち横切る方向の流動抵抗は、軸線方向のものより
実質的に大きい。この結果、繊維バンドルの中央部で流
量を測定するとバンドルの外側と比べて軸線方向の流量
が不均一になる。同様の不均一性が、シェルの入口流
か、あるいは出口流のうちのいずれかが、中央部のチュ
ーブ又は導管を経由して入るか又は取り出される場合に
予想される。

【００１６】上述の検討はガスの分離に限られてはいる
が、中空繊維膜のバンドルが入った分離器モジュール
は、気液接触、浸透気化、逆浸透、透析、限外ろ過及び
精密ろ過を含めた操作で使用することができ、これらの
おのおのではシェル側の流体流量分布の均一性が性能上
重要な役割を演じる。こうして、シェル側流量分布の均
一性の向上は性能を向上させ、そして恐らくより小さな
モジュールの使用を可能にして、装置と運転の総合経費
を低下させることになる。

【００１７】流動路長さと流動路抵抗の違いは、Ｌ／Ｄ
（Ｌ／２Ｒ）アスペクト比が小さい分離器の設計が所望
される場合に目立ってくる。これらの場合には、Ｌ＋２
ＲはＬよりも相当に大きく、その結果流量の分配が本質
的に困難になる。これは、内腔側及び／又はシェル側の
圧力損失が臨界的である場合に特に問題となる。

【００１８】流量分布又は有効物質移動係数を向上させ
るために、多くの試みがなされている。例えば、Ｍａｘ
ｗｅｌｌらの米国特許第３３３９３４１号明細書には、
バンドルをコンパクトにしそして表向き高充填密度を得
ようとして、柔軟スリーブを中空繊維バンドルの周囲に
配置する透過装置が記載されている。しかし、そのよう
な装置では先に検討した要因のために、バンドルの断面
全体にわたる流量の分布になおもむらが生じている。

【００１９】Ｔｏｍｓｉｃの米国特許第３５０３５１５
号明細書には、中空繊維間の空隙空間が不活性な粒状固
形物で実質的に満たされている透過装置が記載されてい
る。表向きは、これらの不活性粒状固形物は空隙の量を
減少させて、それにより流体原料を中空繊維の外側表面
積全体と接触させる。ところが、このような装置は半径
方向の流体流抵抗が実質的に増大して、その結果流体が
中空繊維バンドルに浸透するのを妨げてバンドルの断面
全体にわたる軸線方向の流量を非常に不均一にさせるこ
とになる。更に、この種の装置は製造するのが難しく、
そして運転中はシェル側の流体の通過が粒子の動きを生
じさせて繊維の外表面を磨耗させることがある。また、
粒子が移動しそして分離器から失われて下流の機器の汚
染を生じさせることがある。

【００２０】Ｂｅｎｔｌｅｙらの米国特許第３９８９６
２６号明細書には、繊維の長さ方向に沿って間隔をあけ
て繊維の方向に対し垂直な不活性のフィラメントを織り
込むことにより繊維を変形させて乱流を引き起こし、そ
して拡散に対する抵抗を低下させる中空繊維の装置が記
載されている。半径方向の流動に対する抵抗は変化を受
けるかもしれないが、繊維の変形は繊維内腔の収縮を生
じさせ、それゆえに繊維内腔内の圧力損失を増大させ
る。このような圧力損失はガス分離プロセスの効率にと
って有害である。

【００２１】Ｂａｒｄｏｎｎｅｔらの米国特許第４０６
６５５３号明細書には、中空繊維の周囲にらせん状に巻
かれた糸様の構成要素により中空繊維の間隔をあけ互い
に接触させないでおく中空繊維バンドルが記載されてい
る。その目的は、「デッドゾーン」を防ぎ、そして接触
効率がより高くて圧力損失が小さいコンパクトな装置を
提供することである。しかし、そのような装置は、空隙
をあけるために用いられる糸が存在するため分離器モジ
ュールに詰めることができる繊維がより少ないことか
ら、単位容積当たりの有効面積が少ないと予想される。

【００２２】Ｈｏｌｌａｄａｙの米国特許第４２７６２
４９号明細書には、繊維バンドルの端部をヒートシール
して繊維をお互いどうし付着させる分離器における軸線
方向の流れの改善が記載されている。バンドルの端部の
繊維を分離するために、バンドルの端部からバンドル内
に挿入材料が入れられて、バンドルの端部に流体通路が
設けられる。この流体通路は軸線方向のものであり、そ
して挿入材がバンドル内に入れられる限りにおいてのみ
設けられるに過ぎない。

【００２３】Ｆｕｊｉｉらの米国特許第４２９３８１２
号明細書には、１又は２本の中空繊維の周りにテクスチ
ャードヤーンから構成されたスペーサーヤーンをらせん
状に巻きつけた中空繊維のバンドルが入ったモジュール
が記載されている。スペーサーヤーンの見掛けの太さは
中空繊維の外径の０．５〜３倍であり、この外径は５０
〜６００μｍである。巻きつけは規則的であり、各中空
繊維の周りのスペーサーヤーンの巻きつけ数は中空繊維
の長さ１０ｍｍ当たり０．５〜２０である。分離器にお
ける中空繊維充填比率は３０〜７８％である。目的は、
先に検討したＢａｒｄｏｎｎｅｔらの米国特許明細書と
実質的に同じであり、問題と提案された解決策も同じで
ある。更に、６０％以上ほどの高い中空繊維充填比率を
得ようとする場合には、中空繊維のバンドルは流体分離
器の管状ケーシング内に組み込む前に直径を低下させる
ように絞り込まなくてはならない。この絞り込みには、
中空繊維の損傷が、それゆえに乏しい組み立て収率が、
伴いそうである。

【００２４】Ｒｅｉｎｈａｒｔらの国際特許出願公開第
９５／３４３７３号パンフレットには、おのおのが繊維
の外表面にらせん状に配置又は形成されたモノフィラメ
ントスペーサーを有する、中空繊維膜を含む透析器が記
載されている。スペーサーは、中空繊維の直径の９〜１
８％である。これらのスペーサーは、繊維の長さ方向に
沿って１本の繊維が別の繊維と接触するのを防止し、そ
して隣接する膜の外表面間の一定の規定された間隔を定
め且つ維持する。

【００２５】Ｍａｔｈｅｗｓｏｎらの米国特許第５２３
６６６５号明細書には、たて糸を構成する隣接中空繊維
間に不活性繊維を間隔をあけて配置し、そして次にたて
糸を横切り交互にその上下をぬって延びるよこ糸を構成
する別の不活性繊維を間隔をあけて配置して中空繊維の
織物を形成した中空繊維装置が記載されている。記載さ
れた目的は、中空繊維装置の空隙容積を減らすことであ
り、断面全体にわたる均一な流れを生じさせることであ
る。中空繊維の織りパターンを備えることは、繊維充填
密度の実質的低下の原因となり、それゆえユニットの有
効面積と分離能力を低下させる。

【００２６】本発明は、中空繊維膜のバンドルを含む分
離器モジュールであって、その内部においてシェル側の
流量分布の均一性が向上していて、且つ有効物質移動係
数が増大しその結果モジュールの性能が向上した分離器
モジュールを提供する。

【００２７】

【課題を解決するための手段】本発明は、モジュール内
に長手方向に配置された中空繊維膜のバンドルを収容し
たシェル又はスリーブを含むモジュールであって、繊維
バンドルの少なくとも一方の端部がチューブシート内に
達して貫通している流体分離モジュールを提供する。ス
ペーサーを繊維膜に対して実質的に垂直に且つそれらの
間に挿入して、このスペーサーの領域における空隙容積
に新たな方向を与え（ｒｅｏｒｉｅｎｔ）、流体が繊維
バンドルの軸線を横切って進むことができるようスペー
サーの周りに間隙又は流路を設ける。このスペーサー
は、チューブシート又は入口（出口）の近くの繊維のバ
ンドル内へバンドルの半径の少なくとも２５％の長さま
で挿入される。スペーサーにより提供される横断方向の
流路は流体がバンドルの中央部へ流入し及び／又はそこ
から流出するのを可能にし、それにより繊維バンドル中
の繊維の外側における軸線方向の流量分布の均一性を向
上させる。スペーサーの方向は、バンドルの直径平面に
関し±６０°でよい。

【００２８】好ましくは、モジュールは実質的に円筒形
状であり、そして少なくとも三つの口を有する。やはり
好ましくは、中空繊維膜の充填密度は約１０〜約７５％
ある。

【００２９】棒（ロッド）又はスペーサーを用いて繊維
バンドルを注意深く分けることにより、スペーサーが繊
維バンドルを横切るときにスペーサーがとる進路に沿っ
て空隙空間が作られる。好ましくは、この空隙空間は、
チューブシート又は入口（出口）の近くでバンドルの直
径又は弦に沿って繊維を横切って作りだされる。このよ
うに設けられた空隙空間は、繊維バンドルより流動抵抗
が小さい横断方向又は半径方向の流路を提供する。この
横断方向の流路における流動抵抗は無視できるので、半
径方向の圧力勾配は大いに低下する。従って、繊維のバ
ンドルのシェル側の入口と出口との間の軸線方向の流路
の長さは実質的に等しくなる。この結果は、シェル側の
流量分布の均一性が向上することである。

【００３０】繊維バンドルに多数のスペーサーを挿入す
ることにより、多数の流路を作りだすことができる。ス
ペーサーの様々な幾何学的方位が可能であって、例え
ば、等間隔をあけて斜めに直径を横切るスペーサーによ
り半径方向に貫通するものが可能であり、あるいは弦が
繊維バンドルの軸線を横切る方向に長方形、三角形又は
他の格子状の幾何学形状をもたらすようにするすること
が可能である。

【００３１】スペーサーは、チューブシートを製作後、
あるいは好ましくは、チューブシートをキャストする前
に、挿入することができる。スペーサーは、バンドルの
製作中に挿入して流路を作りだしてもよい。この場合に
は、スペーサーは、バンドルの外部の取り付け具により
固定してもよく、ことによってはチューブシートのエポ
キシにスペーサーの一部分を埋め込むことで固定しても
よい。

【００３２】場合によっては、スペーサーをバンドルへ
挿入後に、スペーサーを取り除いて新たな方向を与えた
空隙空間を含む流路を残してもよい。一つの場合におい
ては、チューブシートのキャスト型をスペーサーにより
作りだされる流路のうちの少なくとも一部分を横切るレ
ベルまで満たすことにより、スペーサーを取り除いてか
ら流路を保持し又は維持することができる。

【００３３】スペーサーの総体的な大きさと繊維の剛性
とが、空隙空間の容積と流路の幅及び高さとを決定す
る。スペーサーの数と、方位と、全長が、繊維バンドル
における流量分布の均一性を決定する。流路の高さは、
互いに対して平行に且ついくらかの距離をあけて配置し
た複数のスペーサーを挿入することで調整してもよい。

【００３４】これまで、スペーサーは棒として説明して
きた。このほかの形状及び材料も申し分のないスペーサ
ー提供する。例えば、付形したスクリーンを繊維のバン
ドルに埋め込むことができ及び／又はチューブシートに
固定することができる。あるいは、スペーサーはＩ型の
部材、半円状断面の棒、孔あきのチューブ、円筒状スク
リーン等でもよい。好ましくは、スペーサーは、繊維に
どのような損傷も生じさせることなく繊維バンドルに挿
入するのを容易にする形状にされる。

【００３５】様々な幅又は大きさの流路を作りだすこと
ができ、例えば、流体を繊維バンドルへ直接流し又はそ
れから直接流れ出るようにしてそれにより繊維バンドル
の周りの環状の空間の必要をなくすためにシェル側の入
口又は出口と整合した大きな流路が好ましいことがあ
る。大きな流路をもたらす角度のあるスペーサーの貫入
が有利なこともある。

【００３６】本発明は、内腔側への原料供給のプロセス
とシェル側への原料供給のプロセスの両方に対して適用
される。典型的なガス分離の用途には、空気からの窒素
の製造、製油所ガス流からの水素あるいはパージ流から
のアンモニアの回収、空気や天然ガス等のガス類の脱
水、などが含まれる。本発明はまた、浸透気化、気液接
触プロセス、そして例えば逆浸透、透析及び限外ろ過と
いったような液体の分離にも適用される。

【００３７】本発明で用いられる中空繊維膜は、例え
ば、（ａ）高分子の一体スキン処理された非対称中空繊
維、（ｂ）緻密な壁を持つ高分子中空繊維、（ｃ）薄膜
複合材料の高分子中空繊維、（ｄ）反応性種により表面
を改質した高分子中空繊維、（ｅ）有効な輸送剤（ｔｒ
ａｎｓｐｏｒｔ ａｇｅｎｔ）を含有する高分子中空繊
維、（ｆ）選択性層を持つ多孔質セラミック材料の中空
チューブ、（ｇ）イオン輸送セラミック材料の中空チュ
ーブ、（ｈ）ガラス繊維、（ｉ）炭素繊維、等から選ぶ
ことができる。

【００３８】本発明で用いられる中空繊維膜は、例え
ば、置換されたあるいは不置換のポリスルホン、ポリス
チレン、アクリロニトリル−スチレンコポリマー、スチ
レン−ブタジエンコポリマー、スチレン−ハロゲン化ビ
ニルベンジルコポリマー、ポリカーボネート、酢酸セル
ロース、プロピオン酸セルロース、エチルセルロース、
メチルセルロース、ニトロセルロース、ポリアミド、ポ
リイミド、アリールポリアミド、アリールポリイミド、
ポリエーテル、ポリエーテルイミド、ポリアリーレンオ
キシド、ポリフェニレンオキシド、ポリキシリレンオキ
シド、ポリエステルアミド−ジイソシアネート、ポリウ
レタン、ポリエステル、ポリアリーレート、ポリエチレ
ンテレフタレート、ポリアルキルメタクリレート、ポリ
アルキルアクリレート、ポリフェニレンテレフタレー
ト、ポリスルフィド、ポリシロキサン、ポリエチレン、
ポリプロピレン、ポリブテン−１、ポリ−４−メチルペ
ンテン−１、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニル、ポリ
塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルア
ルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリプロピオン酸ビニル、
ポリビニルピリジン、ポリビニルピロリドン、ポリビニ
ルエーテル、ポリビニルケトン、ポリビニルアルデヒ
ド、ポリビニルホルマール、ポリビニルブチラール、ポ
リビニルアミン、ポリビニルホスフェート、ポリビニル
スルフェート、ポリアセタール、ポリアリル、ポリベン
ゾベンズイミダゾール、ポリヒドラジド、ポリオキサジ
アゾール、ポリトリアゾール、ポリベンズイミダゾー
ル、ポリカルボジイミド、ポリホスファジン、ポリプロ
ピレンオキシド、並びに、上記のもののインターポリマ
ー、ブロックインターポリマー、コポリマー、ブロック
コポリマー、グラフト類及びブレンド類からなる群から
選ばれたポリマーから製作することができる。

【００３９】本発明が適している用途には、流体、例と
して固体、液体、気体又はそれらの組み合わさったもの
の分離が含まれる。ガス分離には、例えば、圧縮空気か
ら高純度窒素を生産するといったようなものや、製油所
の流れやアンモニアパージガスからの水素の分離、合成
ガスの水素／一酸化炭素比の調整、天然ガスからの二酸
化炭素や硫化水素といった酸性ガスの除去、天然ガスか
らの窒素の除去、空気からの酸素に富む製品の生産、オ
レフィンの分離、例としてプロパンからのエチレンの分
離、天然ガスからの水の除去、圧縮ガスからの水の除
去、その他同様のものが含まれる。分離することができ
るこのほかの適当な気体混合物は、水素、メタン、二酸
化炭素、一酸化炭素、ヘリウム、窒素、水蒸気又は炭化
水素類のうちの少なくとも１種を含有しているものであ
る。

【００４０】本発明はまた、水又はその他の液体に二酸
化炭素、あるいは酸素、あるいは窒素を溶解させあるい
は水又はその他の液体中のそれらを除去するといったよ
うな気液接触操作に応用することもできる。例えば、液
を所定の圧力にし、この昇圧した液を、内径と外径とが
実質的に均一である中空繊維膜のバンドルを収容した気
液接触器モジュールの中空繊維膜の片側へ移送し、中空
繊維膜の液側と反対の側に加圧下のガスを受入れ、そし
て所定レベルの溶解ガスとするのに適切な量まで気体部
分の溶解性ガスの分圧を増減することにより液中の溶解
ガス量を増減することで、所定のレベルまで液にガスを
溶解させあるいは液からガスを除去することができ、こ
のバンドルは、繊維に対して実質的に垂直に且つそれら
の間に挿入されるスペーサーを有し、このスペーサーが
そのスペーサーの領域における空隙容積に新たな方向を
与えそして繊維バンドルの軸線を横切る流路をもたら
し、またこのスペーサーはチューブシート又は入口（出
口）の近くの繊維のバンドル内へバンドルの半径の少な
くとも２５％の長さまで挿入される。更に、本発明の分
離器モジュールは、流体が固体であれ、液体であれ、気
体であれ、あるいはそれらの組み合わさったものであ
れ、流体の浸透気化、逆浸透、透析、限外ろ過、精密ろ
過その他同様のものにも関係する。

【００４１】図１は、本発明の一つの態様を例示してい
る。ガス分離モジュール１０は、シェル側供給口１４と
内腔側供給口１２を有し、またシェル側出口１８と内腔
側出口１６を有する。モジュール１０内のバンドルに中
空繊維２６が含まれている。繊維２６のバンドルの各端
部は樹脂でポッティングされていて、中空繊維２６はこ
の樹脂（チューブシート）２０を貫通している。モジュ
ール１０の各端部のチューブシート２０の近くで、繊維
バンドルに水平のスペーサー２８と垂直のスペーサー３
０が挿入されていて、これらのスペーサーのおのおのは
繊維バンドルにおける軸線方向の流れに対して実質的に
垂直である。

【００４２】スペーサー２８と３０、及び繊維バンドル
へのそれらの挿入位置を図２に示す。図２は、繊維２６
のシェル側のガスの軸線方向の流れを横切る方向に空隙
空間を作りだすため、繊維２６のバンドル全体に関して
スペーサー２８と３０を挿入する関係を示している繊維
バンドルの分解斜視図である。

【００４３】図３は、図２の３−３線の沿って見た断面
を説明する図であり、この図においてはスペーサー２８
と３０をはっきりと見ることができ、同じようにこれら
のスペーサーにより作りだされる空隙流路はっきりと見
ることができる。

【００４４】

【実施例】

〔例１〕外形（ＯＤ）が３２５μｍである中空繊維のバ
ンドルと二つのチューブシートとを含む分離器モジュー
ルを製作した。このモジュールは長さが約３フィート
（０．９１ｍ）であり、直径が約４インチ（１０２ｍ
ｍ）であった。このモジュールを、表１に記載した条件
でシェル側に原料供給しての空気の乾燥について試験し
た。組み立てそして予備試験したバンドルの原料供給側
チューブシートと不透過物側チューブシートの近くでお
およそ１２０°間隔をあけてバンドルのおのおのの端部
に三つのスペーサーを挿入した。シェル側に原料供給し
て２回の試験を行った。スペーサーを用いての最初の試
験では、同じ不透過物流量において、スペーサーを加え
ることにより不透過物の露点の降下が３４．７℃から４
０．６℃に改善された。次の試験は、同じ露点降下を維
持して行ったが、不透過物の流量はスペーサーがないと
きよりもスペーサーが存在する場合に約２５％増加して
より高い生産性を可能にした。なお、表１の圧力損失の
１ｐｓｉ又は圧力のｐｓｉａは６．９ｋＰａに相当す
る。

【００４５】透過物の露点の測定を、スペーサーを加え
る前とスペーサーを加えた後にバンドルを横切って行っ
た。スペーサーを加える前では、透過物の露点の変動は
バンドルの外側における１０℃から中央近くでの−１３
℃までであった。スペーサーを加えた後では、露点の変
動はバンドル外側での約７℃から中央部での約０．５℃
まで減少した。

【００４６】所定のガスの透過係数は、単位の分圧降下
について、１秒当たりに１平方センチメートルの表面積
当たりの膜を通過するガスの標準温度と圧力での容積で
あって、Ｋ₀ ＝スタンダードｃｃ／ｃｍ² ・ｓｅｃ・ｃ
ｍＨｇとして表され、ここでのスタンダードｃｃは０
℃、７６ｃｍＨｇで測定される。Ｋ₀ は、１×１０^-6ｃ
ｃ／ｃｍ² ・ｓｅｃ・ｃｍＨｇの単位でもって水につい
ての総括的な物質移動係数を表す。

【００４７】スペーサーなしの試験Ａでは、３４．７℃
の正味の露点の降下として露点は１９．７℃から−１５
℃まで降下した。スペーサーを用いた試験Ｂでは、４
０．６℃の正味の露点の降下として露点は１８．１℃か
ら−２２．５℃まで降下した。スペーサーを用いた試験
Ｃにおいては、試験Ａと同じ値の露点降下を維持しなが
ら、原料の速度がより大きくて、不透過物製品の流量が
約２７％多かった。スペーサーを用いたモジュールにつ
いては、試験Ｂが試験Ａ（スペーサーなし）と同様の製
品流量で実質的により大きな露点降下（約１９％）を示
したことに注目されたい。試験Ｃでは、製品流量が２７
％増加する一方、露点の降下は試験Ａ（スペーサーな
し）と同じであった。このように、スペーサーが露点の
降下を向上させ及び／又は製品流量を大きくすると同時
に空気の所望される乾燥を達成することが明らかであ
る。

【００４８】

【表１】

【００４９】〔例２〕外径が３２５μｍの中空繊維のバ
ンドルを含む一つのチューブシートを有する分離器モジ
ュールを製作した。これらのスペーサーは外径が３／３
２インチ（２３８１μｍ）のナイロン繊維コードのセグ
メントであった。これらのスペーサーを繊維バンドルの
シェル側入口部分と出口部分の近くに間隔をあけた長方
形の格子にして挿入した。モジュールを、スペーサーを
挿入する前後に、シェル側に原料供給する空気ドライヤ
ーとして試験した。得られた結果を表２に示す。なお、
表中の圧力損失の１ｐｓｉ又は圧力のｐｓｉａは６．９
ｋＰａに相当する。

【００５０】分離モジュール内にスペーサーが存在して
いる場合にスペーサーが存在していないときと比べて露
点の降下が約３１％増大したことに注目すべきである。
更に、水についての透過係数Ｋ₀ はほとんど二倍になっ
た。

【００５１】

【表２】

【００５２】〔例３〕ポリイミドの中空繊維のバンドル
をモジュールシェル内へ４５．９％の繊維充填密度で入
れて、内径が３．９インチ（９９ｍｍ）そして中空繊維
の有効長さが約３９インチ（９９０ｍｍ）の分離器モジ
ュールを組み立てた。繊維バンドルの両端をポッティン
グし、チューブシートの端部を切り開いて繊維の内腔を
露出させた。繊維の有効面積は４７９ｆｔ² （０．３１
ｍ² ）であった。このモジュールのシェルには、繊維の
シェル側にガスを流れさせるよう、チューブシートに近
接して、モジュールの各端部に四つの口を設けた。この
モジュールを、スペーサーを用いずに空気の乾燥につい
て試験した。次に、各端部の上記のシェルの口に中空繊
維の軸線方向に対して実質的に垂直に挿入した二つのス
ペーサーを取り付けた。これらのスペーサーはお互いに
対して９０°の角度で配置した。モジュールには、繊維
の内腔側にガスを流すため二つの端部にやはり口を設け
た。次に、モジュールをフランジ付きのエンドキャップ
を備えた鋼製の外側ハウジング内に入れた。シールを施
して原料供給側と不透過物側との間の漏れを防止した。

【００５３】このモジュールを空気の乾燥について次に
述べるようにして試験した。湿り空気を口を通して繊維
のシェル側へ供給した。この湿り空気の露点は１５〜２
５℃であり、圧力は周囲温度で約１００ｐｓｉｇ（６９
０ｋＰａ（ゲージ圧））であった。不透過物の乾燥製品
をモジュールの反対側の端部のシェルの口から抜き出し
た。水の透過のための推進力を増大させるために、乾燥
した不透過物のうちの一部分を減圧して供給原料と向流
式に繊維の内腔側へスイープガスとして供給した。不透
過物、スイープガス及び透過物の流量、酸素の割合、圧
力、温度及び露点を記録した。水の除去量をいろいろに
するために、いくつかの異なる原料供給流量とスイープ
ガス流量で試験を行った。これらのデータを使って、理
想的な向流モデルから水の透過係数を計算した。

【００５４】繊維の代表的な試料からなる試験ループを
使って、水の固有のＫ₀ を測定した。この値は繊維の構
造のみに依存し、モジュールの設計には無関係である。
流量のまずい分布とその他の要因が、モジュールについ
てのＫ₀ をこの固有のＫ₀ よりも低下させる。固有のＫ
₀ に対するモジュールのＫ₀ の比は、効率に相当する。
（１）スペーサーを用いないものと（２）各端部で二つ
のスペーサーを用いるものの二つの事例についての結果
を、効率を縦座標としそして供給原料の水／不透過物の
水の比を横座標として図４にプロットする。この結果
は、供給原料の水／不透過物の水比の値が約１０〜５０
の範囲にあるときには、各端部で二つのスペーサーを用
いた試験の効率がスペーサーなしの試験より概して１〜
４％高いことを示している。

【００５５】チューブシートの全体にわたる透過ガスの
水の濃度の変動は、モジュールのシェル側の流量分布の
均一性の信頼性のある指標である。透過側のチューブシ
ートの全面にわたり試料プローブを移動させそして露点
を位置の関数として記録することにより、６０°離れた
三つの直径方向の軸について測定を行った。得られた結
果を平均し、そして透過物の水の量（ｐｐｍ）をチュー
ブシートの中心からの距離に対してプロットしたものを
図５に示す。透過物の水の量は、水の物質収支から求め
た平均の透過物の水濃度に関して標準化されている。中
空繊維バンドルの各端部で二つのスペーサーを用いた試
験からは、スペーサーなしの試験よりも平坦な透過物の
水のプロファイルが示される。これは、スペーサーが存
在する場合には流量分布の均一性が向上することを示し
ており、それによりスペーサーの存在下において向上し
た性能が得られることが確認される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一つの態様を説明する図である。

【図２】図１の２−２線に沿って見た分解斜視図であ
る。

【図３】図２の３−３線に沿って見た断面を説明する図
である。

【図４】本発明の一つの態様から得られた結果を示すグ
ラフである。

【図５】本発明のもう一つの態様から得られた結果を示
すグラフである。

【符号の説明】 １０…ガス分離モジュール ２０…チューブシート ２６…中空繊維 ２８、３０…スペーサー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ドナルド ジョセフ ストーキー アメリカ合衆国，ミズーリ 63141，クリ ーブ グール，ヘブン ビュー ドライブ 10 (72)発明者 ディリップ ガルダス カルソッド アメリカ合衆国，ミズーリ 63146，セン ト ルイス，シュルト ロード 1425 (72)発明者 トーマス ジェイムス ブロックマン アメリカ合衆国，ミズーリ 63122，キー クウッド，セントラル プレイス 331

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下記の（ａ）〜（ｃ）を含む流体分離装
   置。 （ａ）実質的に円筒状であり、そして少なくとも三つの
   口を有するモジュール （ｂ）当該モジュール内の長手方向に配置された中空繊
   維膜のバンドルであって、当該繊維のバンドルの少なく
   とも一方の端部がチューブシート内に達しそして貫通し
   ているバンドル （ｃ）当該繊維膜に対して実質的に垂直に且つそれらの
   間に挿入された少なくとも一つのスペーサーであり、当
   該スペーサーの領域における空隙容積に新たな方向を与
   えて、当該繊維膜バンドルの軸線を横切る流体のために
   流路を提供して当該繊維膜バンドル内の繊維の外側にお
   ける軸線方向の流量分布の均一性を向上させるスペーサ
   ーであって、少なくとも一つのチューブシート又は口の
   近くで当該バンドルに挿入されている少なくとも一つの
   スペーサー
2. 【請求項２】 前記スペーサーが前記繊維のバンドルの
   直径の少なくとも約２５％からほぼ当該モジュールの内
   径までの長さを有する、請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】 前記スペーサーが棒である、請求項１又
   は２記載の装置。
4. 【請求項４】 前記膜が、 （ａ）高分子の一体スキン処理された非対称中空繊維、 （ｂ）緻密な壁を持つ高分子中空繊維、 （ｃ）薄膜複合材料の高分子中空繊維、 （ｄ）反応性種により表面を改質した高分子中空繊維、 （ｅ）有効な輸送剤を含有する高分子中空繊維、 （ｆ）選択性層を持つ多孔質セラミック材料の中空チュ
   ーブ、 （ｇ）イオン輸送セラミック材料の中空チューブ、 （ｈ）ガラス繊維、 （ｉ）炭素繊維、 からなる群より選ばれる、請求項１から３までのいずれ
   か一つに記載の装置。
5. 【請求項５】 前記中空繊維膜が、置換されたあるいは
   不置換のポリスルホン、ポリスチレン、アクリロニトリ
   ル−スチレンコポリマー、スチレン−ブタジエンコポリ
   マー、スチレン−ハロゲン化ビニルベンジルコポリマ
   ー、ポリカーボネート、酢酸セルロース、プロピオン酸
   セルロース、エチルセルロース、メチルセルロース、ニ
   トロセルロース、ポリアミド、ポリイミド、アリールポ
   リアミド、アリールポリイミド、ポリエーテル、ポリエ
   ーテルイミド、ポリアリーレンオキシド、ポリフェニレ
   ンオキシド、ポリキシリレンオキシド、ポリエステルア
   ミド−ジイソシアネート、ポリウレタン、ポリエステ
   ル、ポリアリーレート、ポリエチレンテレフタレート、
   ポリアルキルメタクリレート、ポリアルキルアクリレー
   ト、ポリフェニレンテレフタレート、ポリスルフィド、
   ポリシロキサン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ
   ブテン−１、ポリ−４−メチルペンテン−１、ポリ塩化
   ビニル、ポリフッ化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ
   フッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビ
   ニル、ポリプロピオン酸ビニル、ポリビニルピリジン、
   ポリビニルピロリドン、ポリビニルエーテル、ポリビニ
   ルケトン、ポリビニルアルデヒド、ポリビニルホルマー
   ル、ポリビニルブチラール、ポリビニルアミン、ポリビ
   ニルホスフェート、ポリビニルスルフェート、ポリアセ
   タール、ポリアリル、ポリベンゾベンズイミダゾール、
   ポリヒドラジド、ポリオキサジアゾール、ポリトリアゾ
   ール、ポリベンズイミダゾール、ポリカルボジイミド、
   ポリホスファジン、ポリプロピレンオキシド、並びに、
   上記のもののインターポリマー、ブロックインターポリ
   マー、コポリマー、ブロックコポリマー、グラフト類及
   びブレンド類からなる群から選ばれたポリマーから製作
   されている、請求項１から３までのいずれか一つに記載
   の装置。
6. 【請求項６】 前記中空繊維膜の充填密度が約１０〜約
   ７５％である、請求項１から５までのいずれか一つに記
   載の装置。
7. 【請求項７】 下記の（ａ）及び（ｂ）を含む、分離装
   置において流体を内部分配するための手段。 （ａ）中空繊維膜のバンドルを長手方向に配列して収容
   している分離モジュールであって、当該バンドルの繊維
   の少なくとも一方の端部がチューブシートを貫通して延
   びており、当該バンドルの当該中空繊維膜の間に空隙容
   積が存在している分離モジュール （ｂ）当該繊維のバンドルに挿入されたスペーサーであ
   って、当該スペーサーの領域の上記空隙容積に新たな方
   向を与えることにより流体のための流路を提供し、この
   流路が当該繊維バンドルの軸線を横切っていて、流体を
   当該バンドルの内部へ向けて当該バンドルの全体にわた
   り軸線方向の流動を向上させるスペーサー
8. 【請求項８】 内径と外径が実質的に均一である中空繊
   維膜のバンドルであり、当該繊維膜に対して実質的に垂
   直に且つそれらの間に挿入されたスペーサーであって当
   該スペーサーの領域における空隙容積に新たな方向を与
   えて、当該繊維膜バンドルの軸線を横切る流体のために
   流路を提供して当該繊維膜バンドル内の繊維の外側にお
   ける軸線方向の流量分布の均一性を向上させるスペーサ
   ーを少なくとも一つ有するバンドルを少なくとも１種の
   流体を選択的に透過させることにより、流体混合物中の
   少なくとも１種の流体をその流体混合物中の少なくとも
   １種のそのほかの流体から分離するための方法であっ
   て、 （ａ）当該流体混合物を、その流体混合物のうちの少な
   くとも１組の流体に関してこの組の流体のうちの一つの
   流体をこの組の流体のうちの残りの流体以上に選択的に
   透過させる中空繊維膜の片面と接触させること、 （ｂ）この少なくとも一つの透過性流体を当該中空繊維
   膜へ浸透させそしてこれを透過させること、 （ｃ）当該中空繊維膜の反対側の面から、流体混合物の
   うちの上記少なくとも一つの流体の割合が上記流体混合
   物中での当該少なくとも一つの流体の少なくとも一つの
   そのほかの流体に対する割合と異なる透過生成物を取り
   出すこと、を含む流体分離方法。
9. 【請求項９】 前記流体混合物がガスの混合物である、
   請求項８記載の方法。
10. 【請求項１０】 前記ガスの混合物が空気であり、水蒸
    気と二酸化炭素を前記中空繊維膜を透過させて、二酸化
    炭素含有量が低下した実質的に乾燥した空気となる残り
    のガス混合物から除去する、請求項９記載の方法。
11. 【請求項１１】 前記流体混合物がガスと液との混合物
    である、請求項８記載の方法。
12. 【請求項１２】 前記流体混合物が液体の混合物であ
    る、請求項８記載の方法。
13. 【請求項１３】 液体中の溶解ガスの量を所定のレベル
    に制御するための方法であって、 （ａ）液体を所定の圧力にすること、 （ｂ）この昇圧した液体を、内径と外径が実質的に均一
    である中空繊維膜のバンドルであり、当該繊維膜に対し
    て実質的に垂直に且つそれらの間に挿入されたスペーサ
    ーであって当該スペーサーの領域における空隙容積に新
    たな方向を与えて、当該繊維膜バンドルの軸線を横切る
    流体のために流路を提供して当該繊維膜バンドル内の繊
    維の外側における軸線方向の流量分布の均一性を向上さ
    せるスペーサーを少なくとも一つ有し、当該スペーサー
    が当該バンドル内へ挿入されているバンドルを含む気液
    接触器モジュールのシェル側又は内腔側へ移送するこ
    と、 （ｃ）当該中空繊維膜の上記液体と反対の側にガスを受
    け入れること、 （ｄ）加圧下のガス中の溶解ガスの分圧を増減すること
    により、当該液体中の溶解ガスを上記所定のレベルとす
    るのに適切な量だけ当該液体中の溶解ガスの量を増減す
    ること、を含む液体中の溶解ガス量の制御方法。